摘要： 激光和光信号的调制与控制对于被困离子和冷中性原子量子系统是必要的。考虑到原子种类、实验方式和架构的多样性，设计用于在可见光到近红外（NIR）光谱范围内工作的集成光调制器是实现便携、可靠、紧凑的量子计算机、时钟和传感器的重要一步。集成光调制器如果能够在波长独立、兼容CMOS、保持低波导损耗和高谐振腔质量因子（Q）、直流耦合的宽带频率响应以及低功耗的条件下运行，对于可扩展的光子集成至关重要。然而，朝着这些目标的进展仍然有限。为了展示这一平台的多功能性，我们展示了四种类型的集成应力光学铅锆钛酸盐（PZT）氮化硅（Si3N4）调制器——一个线圈型马赫-曾德调制器、一个线圈型纯相位调制器，以及总线耦合和加减环谐振腔调制器，工作波长范围从493 nm到780 nm。PZT驱动的线圈型马赫-曾德调制器在532 nm下工作，Vπ为2.8V，直流至0.4 MHz的3dB带宽，消光比为21.5 dB。PZT驱动的氮化硅线圈型相位调制器在493 nm下工作，Vπ为2.8V，在1 kHz偏移下具有低残余幅度调制（RAM）为-34 dB。总线耦合环谐振腔调制器在493 nm下工作，加减环谐振腔调制器在780 nm下工作。基于环形的调制器具有内在质量因子（Qi）为340万和190万，线性调谐强度分别为0.9 GHz/V和1 GHz/V，3dB带宽分别为直流至2.6 MHz和直流至10 MHz。所有四种调制器设计都保持了氮化硅的低光波导损耗，直流耦合并具有宽带频率响应，波长独立工作，且每个驱动器的功耗仅为几十nW。这些解决方案为与其他精密硅氮化物组件的进一步集成解锁了潜力，以实现芯片级的原子和量子系统。

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文章名：Blue to Near-IR Integrated PZT Silicon Nitride Modulators for Quantum and Atomic  Applications

Here is the translation of the introduction into Chinese:

1. 引言

高效集成光调制器是实现紧凑且稳健的量子技术的关键组件。具体来说，调制器在激光稳定、原子跃迁控制以及量子功能（如门控和量子比特控制）中的芯片集成微型化将为便携且可靠的被困离子[1,2]和中性原子量子计算机[3]、原子钟[4,5]以及量子传感器[6,7]的实现铺平道路。考虑到原子种类的多样性及各种架构和协议的广泛应用，重要的是这些调制器能够在可见光到近红外（NIR）波长范围内工作，提供不同的调制格式，并保持高性能集成波导和组件的特性，同时具备低功耗和易于与控制电子设备接口的特性。例如，被困的Ba+量子计算架构可以利用在493 nm 6S1/2 → 6P1/2四极跃迁处工作的集成相位和幅度调制器用于冷却和状态检测[8,9]。532 nm调制器可用于各种系统中的非共振原子控制，包括驱动Ba+中的拉曼跃迁[10]、光偶极陷阱[11]和光晶格[12]。未来的空间基冷铷原子钟[13]和原子干涉仪[14]将受益于在780 nm铷D2线上的调制。同时，这些调制器解决方案应与高性能CMOS兼容的光子集成平台兼容。这些解决方案将为与其他精密组件的集成铺平道路，从而实现适用于原子和量子应用的激光、光子学和芯片级系统。

CMOS兼容的氮化硅集成平台[15]是一个重要的解决方案，因其在可见光到近红外波长范围内具有超低的光损耗[16,17]，并能够集成在该范围内工作的精密激光器和其他光子组件[8,18-25]。迄今为止，基于PZT驱动的Si3N4波导的应力光学环形谐振腔幅度调制已经在通信波长范围内实现[26]。这一类控制调制器提供强大的直流耦合和宽带调制，涵盖数十MHz的频率范围，波长独立工作，且不影响氮化物波导的损耗。这些特性对于精确的原子系统控制功能，如激光锁定[27]、功率路由/开关[1,28]、边带调制、前馈相位噪声抑制[29,30]以及灵活的相位[31]和频率控制[32]至关重要。已经使用应力光学效应在释放的氮化铝（AlN）结构[18,33,34]和电光效应在薄膜铌酸锂中[35]演示了可见光到近红外频率的调制。

在CMOS兼容的集成平台中，实现直流耦合宽带调制、低残余幅度调制（RAM）、低功耗消耗以及波长独立性的可见光到近红外调制器的进展，是实现原子和量子实验集成的下一个关键步骤。

在本工作中，我们报道了可见光到近红外的高调制效率光子集成PZT驱动的Si3N4应力光学幅度和相位调制器。我们展示了四种调制器类型，分别在493 nm、532 nm和780 nm下工作，如图1所示，应用于量子计算、原子钟和量子传感。

线圈型马赫-曾德调制器（coil MZM）在一个臂上采用5 cm长的PZT驱动器，相位调制器是一个直波导调制器，采用5 cm长的PZT驱动器，而总线耦合和加减环谐振腔则在环部分上采用PZT驱动。线圈型MZM在532 nm下工作，Vπ为2.8 V，消光比（ER）为21.5 dB，直流耦合的3dB带宽为0.4 MHz。线圈型相位调制器在493 nm下工作，Vπ为2.8 V，180°相位滞后带宽为1 MHz，在1 kHz偏移下具有低残余幅度调制（RAM）为-34 dB。临界耦合的总线耦合环谐振腔在493 nm下工作，具有3.4M的内在质量因子（Qi）、0.9 GHz/V的线性调谐强度、18.7 dB的ER和直流耦合的3dB带宽为2.6 MHz。最后，加减环谐振腔在780 nm下工作，具有1.9M的内在质量因子（Qi）、1 GHz/V的线性调谐强度和直流耦合的3dB带宽为10 MHz。这一可见光到近红外集成幅度和相位调制的进展为在氮化硅集成平台上完全集成量子技术奠定了明确的路径。

2. 结果

线圈型马赫-曾德调制器（coil MZM）、线圈型相位调制器和环谐振腔调制器的布局如图2所示。

Here is the translation of the figure caption into Chinese:

图2
a. 氮化硅波导及背面沉积的PZT驱动器的横截面。
b. 单总线加透环调制器，在493 nm下测试，特点是使用GSG探针向PZT驱动器传递电信号。
c. 在532 nm下测试的线圈型马赫-曾德调制器（MZM）。
d. 在493 nm下测试的线圈型相位调制器。

所有设计均采用集成的Si3N4波导，并配有单片集成的PZT驱动器[26,36]。Si3N4波导的厚度为20 nm，宽度为2 μm，适用于493 nm和532 nm的设备；对于780 nm设备，波导的厚度为120 nm，宽度为900 nm，采用超低损耗的CMOS兼容工艺制造[15]。集成的PZT驱动器和铂电极的制造[37-40]是在上层包覆氧化物沉积后进行的。根据设计要求，PZT和电极与波导的偏移量为0-5 µm，并设计成能够在氮化物核心上产生较强的横向应变，以实现强光学调制，同时最小化与光模式的重叠[26]。这种后端工艺避免了铝氮化物（AlN）应力光学调制器中常见的倒角或“回拉”结构[34]。PZT可驱动最大至20 V，所有这些设备的漏电流小于1 nA，对应的功耗为约20 nW，可忽略不计。

线圈型马赫-曾德调制器由一个马赫-曾德设计组成，在其中一个臂上配有5 cm的线圈PZT驱动器，如图2e所示。通过对PZT施加电压，波导中会产生横向应变，从而引起波导折射率的变化，这种变化来自应力光学效应。因此，光的相位会线性偏移，测得的调谐系数为716 MHz/V（0.68 pm/V），对应的Vπ为2.8 V，VπL为14.0 V·cm，VπLα为6.71 V·dB。方向耦合器设计为50/50的等分配，能够在532 nm操作下达到21.5 dB的消光比（ER）。线圈型MZM的优点是低光学损耗（α = 0.24 dB/cm）、高调制效率（低Vπ）以及PZT功耗仅为5 nW。为了为线圈型MZM生成532 nm激光输入，1064 nm的分布布拉格反射激光器通过铒掺杂光纤放大器进行放大，并使用周期性极化的铌酸锂进行倍频转换，最终得到532 nm的输出。

线圈型MZM的调制带宽限制在约1 MHz，因为PZT驱动器的大面积导致PZT的电容较高，达到19nF，这样才能实现一个5 cm长的线圈，在其上沉积PZT驱动器。与环谐振腔调制器的带宽通常受限于光子腔寿命不同，线圈型MZM的调制带宽仅受驱动器电容的限制，因此带宽和调谐效率之间存在设计权衡。波导设计为在532 nm波长下工作于TE0单模模式。线圈型MZM在驱动电压阶跃函数时，显示出90/10上升时间为1.7 μs。

线圈型MZM仅在接近532 nm的波长下作为幅度调制器操作，因为这是方向耦合器分割比最接近50/50的波长；然而，通过简单的波导设计更改，可以在Si3N4透明窗口内的任何波长下生成类似的调制器。线圈型相位调制器是一个SiN波导，配有一个5 cm长的驱动器，通过切割掉线圈型MZM的输入分离器并仅使用PZT驱动的臂（图2d）来实现。为了测量设备的频率响应，将其放置在平衡光纤马赫-曾德干涉仪（MZI）的一个臂上，将相位波动转换为幅度波动，并在正交模式下进行调制。

光纤MZI的输出信号送到光电探测器，S21（见图4a和4b）通过矢量网络分析仪（VNA）（安捷伦N5230-90017）进行测量。在PDH锁定方案和其他应用中，如光学陀螺仪[41]，需要低残余幅度调制（RAM）[42]。通过检测相位的输出并在VNA上查看，测量RAM。RAM定义为此|S21|信号与图4a中测得的|S21|信号的相对水平，必要时进行衰减，使载波和RAM具有相同的光功率。RAM的限制由VNA和光电探测器的噪声底限以及载波信号的可用光功率决定。由于设计本身不会像基于环谐振腔的相位调制器那样产生不必要的幅度调制，因此RAM可能低于此处报告的值。通过在光纤-芯片接口处使用折射率匹配凝胶，减小了Etalon效应和相关的RAM。

展示了两种PZT驱动的环谐振腔调制器。第一种是一个493 nm临界耦合的总线耦合环，半径为750 µm，氮化物核心厚度为20 nm。该设备使用DRS Daylight Stretto 493 nm激光器进行测试。我们测得内在质量因子（Qi）为340万，加载质量因子（QL）为190万，半高宽度（FWHM）线宽为324 MHz，传播损耗为0.24 dB/cm，消光比（ER）为18.7 dB。谐振腔的高ER具有潜力用于量子实验的门控功能。PZT的铁电特性导致在驱动电压超过大约±1.5V时出现非线性调谐。在滞后区域外，观察到线性调谐，调谐系数为0.92 GHz/V（0.75 pm/V），对应的Vπ为20.7 V，VπL为9.75 V·cm，VπLα为2.34 V·dB。

将激光调谐到谐振腔的正交点，并将PZT电极偏置至滞后区域上方，应用小信号调制并使用VNA测量响应。测得的3dB调制带宽为直流至2.6 MHz，6dB调制带宽为直流至3.4 MHz，180°相位滞后点为1.8 MHz。调制器的带宽由PZT驱动器的电容和环谐振腔中的光子寿命限制，这促使我们使用具有适度Q值的环调制器[26]。这些环形调制器也可以作为相位调制器使用，通过将激光调谐到谐振的最小值，并进行小信号调制。这在图5f中有所展示，用于生成可以用于PDH锁定的误差信号。

第二种类型的环调制器是750 µm半径的加减环谐振腔调制器。该谐振腔在780 nm下略微欠耦合，消光比为12.1 dB，内在质量因子（Qi）为190万，加载质量因子（QL）为70万，半高宽度（FWHM）线宽为539 MHz，传播损耗为0.27 dB/cm（图6）。

在滞后区域外，观察到线性调谐，调谐系数为1.01 GHz/V（2.1 pm/V），对应的Vπ为18.8 V，VπL为8.86 V·cm，VπLα为2.39 V·dB。如果需要更高级的锁定和调制方案，还可以使用热调谐器来进行额外的慢速调谐。

3. 讨论

我们报道了一类多功能光子集成PZT驱动的应力光学调制器，能够在493至780 nm的可见光到近红外（VIS到NIR）范围内工作。我们展示了马赫-曾德干涉仪、纯相位调制器、总线环形和加减调制器设计，其Vπ低至2.8 V，直流耦合的3-dB带宽可达10 MHz，开关比（ER）高达21.5 dB，电功耗仅为几十nWs。PZT驱动器保持了超低的氮化硅波导损耗和超高的Q值，并为与其他氮化硅光子集成组件的集成提供了路径，包括激光器用于外部幅度或相位调制以及直接的灵活频率调谐[19]。PZT氮化硅驱动器的带宽已被证明可达70 MHz[36]，非常适合用于原子量子控制功能和协议，如极化梯度冷却频率控制序列[32]、Zeeman量子比特[43]以及PDH锁定集成激光器与集成线圈参考[44]。此外，PZT的强直流应力光学系数提供了更强的静态设定点和调谐，其强度比其他应力光学驱动器高几个数量级[45]。测得的线圈型MZM的VπLα为6.71 V·dB，493 nm环调制器的VπLα为2.34 V·dB，这些值未来有潜力通过进一步降低波导损耗，达到亚伏特级水平[16,46]。

这些调制器可在扩展量子技术中找到应用，例如光学镊子[47,48]、被困离子[49]以及非阿贝尔任意子[50]。这些结果为将调制器与其他可见光Si3N4组件集成，进而实现完全集成的冷原子和被困离子芯片系统提供了清晰的路径。